CN109614764A - 一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及本发明公开了一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，精准量化确定切片机主轴承箱前端和后端超精密角接触球轴承不同轴承型号及不同组配方式的最佳预紧力，实现了轴承轴向预紧力的量化控制，解决了轴向预紧力过大或过小造成主轴承箱最大转速降低或刚度减小的弊端，从而提高了切片机主轴承箱的性能。

Description

一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法

技术领域

本发明属于太阳能硅片加工设备技术领域，具体地说涉及一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法。

背景技术

切片机是太阳能硅片生产中的主要加工设备，主轴承箱作为切片机的核心部件，要求高承载能力、高精度、高刚度，由于超精密角接触球轴承具有高的旋转精度及低噪音等优点多被应用于切片机主轴承箱中，角接触球轴承在装配时需要对其进行预紧，合适的预紧力可以减小温升、提高轴承的使用性能、延长使用寿命，然而预紧力过大会造成轴承发热严重，轴承与外圈产生咬粘现象，从而导致轴承箱抱死，预紧力过小会降低轴承箱刚度，导致设备加工精度降低，因此量化确定预紧力的大小对轴承箱性能的提升具有至关重要的作用。

轴承预紧方式包括径向预紧和轴向预紧，其中径向预紧具有预紧力可调、配合精度高、配合量对预紧影响小、预紧对温升影响小等优点。但是径向预紧存在支撑部位带锥度、加工难度大、精度不易保证、锥面配合吻合度低、预紧量难以掌握等问题。轴向预紧与径向预紧相比，支撑部位为柱面，精度高，支撑轴承的精度也高，加之预紧量和配对方式是在轴承生产厂预置好的，处于最优状态，能够保证具有较高的精度和刚度，另外，对于方向不定的附加载荷，具有良好的适应性。因此现代高速、高精度机床的主轴支撑多采用角接触球轴承轴向预紧方式。

现有技术中，多涉及轴承预紧装置或预紧方式，经检索，专利号为ZL201710937692.6公开了一种轴承预紧方式，通过轴承预紧调节装置对轴承的预紧力进行调节，该装置调解间隙较大，预紧力可以全面及局部调节，且装置使用寿命长，有效降低了维修成本。

专利号为ZL201811105161.1公开了一种角接触球轴承预紧力模拟装置，该装置通过安装有架体、主体、滑块、滑槽和固定螺栓，使得装置便于根据使用者的需求来调整架体的高度，解决了不易拆卸和拼接、结构稳定性差和噪音干扰的问题。

专利号为ZL201310128670.7公开了一种轴承预紧装置，该装置包括壳体、设置在壳体中空腔的芯轴、控制芯轴转动的摩擦片单元，以及对摩擦片单元施加力的施力机构，通过施力机构调整摩擦片单元中的第一和第二摩擦片之间的第一摩擦力矩大小来控制芯轴的转动，从而实现对预紧力的控制。

专利号为ZL201610804247.8公开了一种轴承组件及轴承的预紧装置，通过设定轴承预紧所需的力并在悬臂梁力值显示仪表到达该值时停止调节件施加给顶块的力，即实现对轴承的预紧，该结构通过传感器检测提高了检测的准确性。

综上所述，现有技术中仅有轴承的预紧装置，可以准确地调节轴承的预紧力，但是并没有一种方法可以精确地量化超精密角接触球轴承预紧力的大小，量化确定预紧力的大小作为预紧过程中非常重要的一环，不可或缺。

发明内容

针对现有技术的种种不足，本发明的目的是提供一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，通过切片机主轴承箱中不同组配方式的超精密角接触球轴承可达到的最大转速来约束并量化确定最大轴向预紧力和用组配轴承刚度来约束并量化确定最小轴向预紧力。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据主轴承箱中承受主要载荷的前端超精密轴承的型号以及不同组配方式，选择相对应的原始数据点；

(2)对步骤(1)中所述的原始数据点进行二次拟合，得到轴向预紧力x和组配轴承的最大转速减小系数f(x)的二次方程；

(3)根据步骤(2)得到的最大转速减小系数f(x)，再根据前端超精密轴承的型号确定单列轴承的极限转速n，进而得到组配轴承可达到的最大转速n_max与极限转速n的关系，并确定最大预紧力；

(4)确定超精密角接触球轴承套圈相对位移量δ与所作用的轴向预紧力x的关系；

(5)根据步骤(4)确定轴向预紧力x与轴向刚度S_a1的数量关系；

(6)根据步骤(5)中的轴向刚度S_a1，并通过公式S_r1＝5S_a1，确定径向刚度S_r1，并分别确定单列轴承的轴向预紧力x与轴向刚度S_a1、径向刚度S_r1的关系曲线(x，S_a1)、(x，S_r1)；

(7)设组配轴承与单列轴承的轴向预紧力、轴向刚度和径向刚度的倍数关系分别为a、b、c，结合步骤(6)可以得到超精密角接触球轴承不同的组配方式对应的轴向预紧力与轴向刚度、径向刚度的关系曲线分别为(a·x，b·S_a1)、(a·x，c·S_r1)，所述a、b、c根据超精密角接触球轴承组配方式的不同，均可通过计算得到。

(8)结合步骤(7)中的轴向预紧力与径向刚度的关系曲线(a·x，c·S_r1)，并根据超精密角接触球轴承已知径向最小刚度即可约束并量化确定最小预紧力。

进一步，所述原始数据点包括不同轴向预紧力等级及其对应的速度减小系数，且每一个预紧力等级对应一个转速减小系数。

进一步，所述轴向预紧力由小到大依次包括轻预紧、中预紧、重预紧和超重预紧。

进一步，根据步骤(1)所述不同组配方式包括两列、三列和四列。

进一步，所述不同组配方式中两列包括背对背、面对面，所述三列包括背对背+串联、面对面+串联，所述四列包括串联后背对背、串联后面对面。

进一步，步骤(1)中的二次方程为f(x)＝p₁x²+p₂x+p₃，其中p₁、p₂、p₃均为拟合后得到的数值。

进一步，所述步骤(3)中最大转速n_max与极限转速n的关系为n_max＝nf(x)。

进一步，根据步骤(4)相对位移量δ与所作用的轴向预紧力x的关系为其中Z为滚珠个数，D_b为滚珠直径，α为接触角。

进一步，步骤(5)确定轴向预紧力x与轴向刚度S_a1的数量关系为：

进一步，所述超精密角接触球轴承包括前端轴承和后端轴承，所述后端轴承的轴向预紧力量化确定方法与前端轴承的轴向预紧力的确定方法相同。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，精准量化确定切片机主轴承箱前端和后端超精密角接触球轴承不同轴承型号，及不同组配方式的最佳预紧力，实现了轴承轴向预紧力的量化控制，解决了轴向预紧力过大或过小造成主轴承箱最大转速降低或刚度减小的弊端，从而提高了切片机主轴承箱的性能。

附图说明

图1切片机设备主轴承箱中超精密角接触球轴承组配方式。

图2超精密角接触球轴承预紧力量化确定流程图。

图3前端DBB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系曲线图。

图4前端轴承轴向刚度与轴向预紧力的关系图。

图5前端轴承径向刚度与轴向预紧力的关系图。

图6轴承载荷与位移关系曲线。

图7后端DB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图。

图8后端轴承轴向刚度与轴向预紧力的关系图。

图9后端轴承径向刚度与轴向预紧力的关系图。

图10NSK的DBB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图。

图11FAG的DBB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图。

图12NSK的DB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图。

图13FAG的DB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据主轴承箱中承受主要载荷的前端超精密轴承的型号以及不同组配方式，选择相对应的原始数据点。

所述不同组配方式的超精密角接触球轴承是：两列包括背对背(DB)、面对面(DF)；三列包括背对背+串联(TBT/DBD)、面对面+串联(TFT/DFD)；四列包括串联后背对背(QBC/DBB)、串联后面对面(QFC/DFF)，以下超精密角接触球轴承的组配方式均以括号内的字母组合代替。

所述原始数据点包括两部分：不同轴向预紧力等级及其对应的速度减小系数，所述轴向预紧力由小到大分为轻预紧(EL)、中预紧(L)、重预紧(M)、超重预紧(H)四个等级，并且每一个预紧力等级对应一个速度减小系数。

实施例一：

如图1至图9所示，是关于不同的超精密角接触球轴承型号及不同组配方式下预紧力的量化确定。

如图1所示，以SKF的超精密角接触球轴承7224C和7024C为例，轴承箱前端轴承为7224C呈DBB组配方式，后端轴承为7024C呈DB组配方式。

如图2至图6所示，按照超精密角接触球轴承轴向预紧力的量化确定方法步骤，首先计算了前端轴承的最大转速和刚度随预紧力的变化情况。对厂商SKF中7224C轴承呈DBB组配方式下的原始数据进行二次拟合，得到了脂润滑和油气润滑情况下的速度减小系数与预紧力关系的二次函数方程分别为：

f₁(x)＝-3.78×10^-10x²-1.069×10^-5x+0.665 (1)

根据轴承型号确定单列轴承的极限转速n为脂润滑6700r/min和油气润滑10000r/min，根据公式(2)得到脂润滑和油气润滑在DBB组配方式下轴向预紧力与可达到的最大转速的关系分别为n_1max和n_2max：

n_max＝nf₁(x) (2)

n_1max＝6700×(-3.78×10^-10x²-1.069×10^-5x+0.665) (3)

n_2max＝10000×(-3.78×10^-10x²-1.069×10^-5x+0.665) (4)

因此得到如图3所示的前端DBB组合轴承最大转速和轴向预紧力的关系图，根据切片机设备实际最大转速脂润滑为3500r/min、油气润滑为4500r/min，选择对应的轴向预紧力分别为9700N、13500N，作为最大预紧力。

如图4和图5所示，通过公式(5)计算超精密角接触球轴承套圈相对位移量δ与所作用的轴向预紧力x的关系。

然后通过求偏导可得到单列角接触球轴承的轴向刚度为：

其中滚珠个数Z＝15、滚珠直径D_b＝30.162mm、接触角α＝15°，从而得到如图4中单列超精密角接触球轴承的轴向预紧力与轴向刚度的关系曲线，通过公式：

S_r1＝5S_a1 (7)

得到如图5中的单列超精密角接触球轴承的轴向预紧力与径向刚度的关系曲线。

DBB组配轴承与单列轴承的轴向预紧力、轴向刚度和径向刚度的倍数关系分别为a＝2、b＝4、c＝4，可以得到轴向预紧力与轴向刚度、径向刚度的关系曲线分别为(2·x，4·S_a1)、(2·x，4·S_r1)，如图4和图5中所示的DBB组配方式下轴向预紧力与轴向刚度以及轴向预紧力与径向刚度的关系曲线。

所述DBB组配方式下的倍数关系a、b、c，可通过以下计算得到，需首先根据公式计算DB组配方式下的刚度与单列轴承刚度之间的关系，如图6所示，假设轴承组有一个位移增量Δδ，使第一列轴承载荷增加，第二列载荷减少方向，则两列轴承的载荷可分别表示为：

F₁＝F₀+S_a1Δδ (8)

F₂＝F₀-S_a1Δδ (9)

则轴承组的载荷增量为：

ΔF＝F₁-F₂＝2S_a1Δδ (10)

则在A点处，成对轴承的刚度可表示为：

即相同预载荷情况下，成对组配轴承的轴向刚度是单列轴承的2倍。当组配方式为四列DBB时，与成对DB组配轴承相比，F₀＝2F₀时，每一列轴承才能产生位移δ₀，这表明DBB组配轴承的刚度和预紧力是DB组配轴承的2倍，即：

S_a4＝2S_a2＝4S_a1 (12)

因此根据切片机设备主轴承箱实际所需径向刚度为大于400N/μm，结合图5可以确定前端DBB组配轴承所需的最小预紧力为120N，综上可以得到前端轴承的预紧力范围为脂润滑[120N,9700N]、油气润滑[250N,13500N]，按照转速可以保证的情况下，径向刚度应该越大的原则可以选取脂润滑轴向预紧力8000N，对应最大转速3700r/min，对应径向刚度为1225N/μm，油气润滑10000N，对应最大转速5200r/min，对应径向刚度1350N/μm。

根据上述得到的前端轴承的最大转速脂润滑3700r/min、油气润滑5200r/min来确定后端轴承的预紧力，首先根据图2中的步骤拟合后端DB组配轴承速度减小系数的原始数据得到二次函数方程：

f₂(x)＝-8.401×10^-10x²-3.929×10^-5x+0.855 (13)

并根据公式(2)计算得到如图7所示的DB组配方式下轴向预紧力与最大转速关系曲线图，分别找到脂润滑、油气润滑最大转速下对应的轴向预紧力分别为2500N、3000N。并根据公式(6)至(12)计算后端DB组配方式下的轴向预紧力与轴向刚度、径向刚度的关系如图8和图9所示，进行径向刚度校核。从图中选择与轴向预紧力2500N、3000N对应的刚度分别为500N/μm、525N/μm，均大于切片机设备的需求刚度400N/μm，所以此后端轴承的轴向预紧力满足要求。

综上所述，量化确定SKF的超精密角接触球轴承7224C和7024C，且轴承箱前端轴承为7224C呈DBB组配方式，后端轴承为7024C呈DB组配方式下轴向预紧力为：脂润滑情况下，前端轴承8000N，后端轴承2500N，最大转速3700r/min，径向刚度为1225N/μm；油气润滑情况下前端轴承10000N，后端轴承3000N，最大转速5200r/min，径向刚度为1350N/μm。

实施例二：

如图4至图5、图8至图13所示，根据厂商NSK、FAG的原始数据进行二次拟合得到公式(14)至(17)，然后根据公式(2)得到图10至图13所示的轴向预紧力与最大转速的关系曲线图，从而确定最大预紧力。通过图4、图5、图8、图9的轴向预紧力与刚度的曲线图可以量化确定最小预紧力，因此本发明涉及的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法可以量化确定不同超精密角接触球轴承生产厂商如NSK、FAG在不同组配方式下的轴向预紧力，以此来获得最佳轴承箱性能。

NSK：7224C—DBB f₃(x)＝1.027×10^-9x²-3.798×10^-5x+0.6543 (14)

7024C—DB f₄(x)＝1.681×10^-8x²-1.385×10^-4x+0.6969 (15)

FAG：7224C—DBB f₅(x)＝2.514×10^-10x²-3.053×10^-5x+0.7959 (16)

7024C—DB f₆(x)＝-2.776×10^-9x²-9.577×10^-5x+0.8141 (17)

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)根据主轴承箱中承受主要载荷的前端超精密轴承的型号以及不同组配方式，选择相对应的原始数据点；

(2)对步骤(1)中所述的原始数据点进行二次拟合，得到轴向预紧力x和组配轴承的最大转速减小系数f(x)的二次方程；

(3)根据步骤(2)得到的最大转速减小系数f(x)，再根据前端超精密轴承的型号确定单列轴承的极限转速n，进而得到组配轴承可达到的最大转速n_max与极限转速n的关系，并确定最大预紧力；

(4)确定超精密角接触球轴承套圈相对位移量δ与所作用的轴向预紧力x的关系；

(5)根据步骤(4)确定轴向预紧力x与轴向刚度S_a1的数量关系；

(6)根据步骤(5)中的轴向刚度S_a1，并通过公式S_r1＝5S_a1，确定径向刚度S_r1，并分别确定单列轴承的轴向预紧力x与轴向刚度S_a1、径向刚度S_r1的关系曲线(x，S_a1)、(x，S_r1)；

(7)设组配轴承与单列轴承的轴向预紧力、轴向刚度和径向刚度的倍数关系分别为a、b、c，结合步骤(6)可以得到超精密角接触球轴承不同的组配方式对应的轴向预紧力与轴向刚度、径向刚度的关系曲线分别为(a·x，b·S_a1)、(a·x，c·S_r1)，所述a、b、c根据超精密角接触球轴承组配方式的不同，均可通过计算得到。

(8)结合步骤(7)中的轴向预紧力与径向刚度的关系曲线(a·x，c·S_r1)，并根据超精密角接触球轴承已知径向最小刚度即可约束并量化确定最小预紧力。

2.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：所述原始数据点包括不同轴向预紧力等级及其对应的速度减小系数，且每一个预紧力等级对应一个转速减小系数。

3.根据权利要求2所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：所述轴向预紧力由小到大依次包括轻预紧、中预紧、重预紧和超重预紧。

4.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：根据步骤(1)所述不同组配方式包括两列、三列和四列。

5.根据权利要求4所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：所述不同组配方式中两列包括背对背、面对面，所述三列包括背对背+串联、面对面+串联，所述四列包括串联后背对背、串联后面对面。

6.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：步骤(2)中的二次方程为f(x)＝p₁x²+p₂x+p₃，其中p₁、p₂、p₃均为拟合后得到的数值。

7.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中最大转速n_max与极限转速n的关系为n_max＝nf(x)。

8.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：根据步骤(4)相对位移量δ与所作用的轴向预紧力x的关系为其中Z为滚珠个数，D_b为滚珠直径，α为接触角。

9.根据权利要求1所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：步骤(5)确定轴向预紧力x与轴向刚度S_a1的数量关系为：

10.根据权利要求1-9任一所述的一种超精密角接触球轴承轴向预紧力量化确定方法，其特征在于：所述超精密角接触球轴承包括前端轴承和后端轴承，所述后端轴承的轴向预紧力量化确定方法与前端轴承的轴向预紧力的确定方法相同。